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1、化工第五章教案第1页，此课件共80页哦化学反应动力学基础化学反应动力学基础*典型反应器典型反应器*第2页，此课件共80页哦第一节概述第一节概述一、化学反应工程学：一、化学反应工程学：1.化学反应工程发展概况：化学反应工程发展概况：远远在在古古代代，人人们们就就开开始始利利用用化化学学反反应应，如如陶陶器器的的制制作作、酒酒与与醋醋的的酿酿造造、金金属属的的冶冶炼炼以以及及炼炼丹丹、造造纸纸等等等等，然然而而，这这些些生生产产过过程程直直到到上上世世纪纪五五十十年年代代还还未未形形成成一一门门独独立立的的学学科科，其其原原因因是是由由于于人人类类还还没没有有能能够够从从种种类类繁繁多多、看看起起
2、来来似似乎乎毫毫不不相相干干而而又又变变化化多多端端的的反反应应过过程程中中，认认清清它们的共同规律。它们的共同规律。科科学学技技术术的的发发展展，特特别别是是二二战战后后石石油油化化工工的的发发展展，对对化化学学反反应应器器的的设设计计产产生生了了迫迫切切要要求求，而而化化学学动动力力学学研研究究的的进进展展和和化化工工单单元元操操作作方方面面的理论和实践经验的日趋成熟，才使这类问题的系统解决有了可能。的理论和实践经验的日趋成熟，才使这类问题的系统解决有了可能。第3页，此课件共80页哦化学反应工程学的发展化学反应工程学的发展萌芽阶段：萌芽阶段：20 20 世纪世纪 30 30 年代，丹克莱尔
3、（年代，丹克莱尔（Damhhler Damhhler）在当时实验数据十）在当时实验数据十分贫乏的情况下，较系统地论述了扩散、流体流动和传热对反应器产率的影响，分贫乏的情况下，较系统地论述了扩散、流体流动和传热对反应器产率的影响，为化学反应工程奠定了基础。为化学反应工程奠定了基础。20 20 世纪世纪 40 40 年代末年代末 ,-,-霍根霍根 (Hougen)(Hougen)和华生和华生 (Waston),(Waston),讲述了动力学与催讲述了动力学与催化过程。化过程。初步形成：初步形成：1957 1957 年，欧洲几个国家从事反应工程这一领域研究工作的学者在荷年，欧洲几个国家从事反应工程这
4、一领域研究工作的学者在荷兰的阿姆斯特丹召开的一次学术会议上首次使用化学反应工程一词，这标志着该学兰的阿姆斯特丹召开的一次学术会议上首次使用化学反应工程一词，这标志着该学科的初步形成。科的初步形成。第4页，此课件共80页哦化学反应工程学的发展化学反应工程学的发展成熟阶段：成熟阶段：60 60 年代石油化工的大发展，生产的日趋大型化和单机化，以及原料加年代石油化工的大发展，生产的日趋大型化和单机化，以及原料加工的不断发展加速了反应工程学科的发展使其进入黄金时代并日趋成熟。工的不断发展加速了反应工程学科的发展使其进入黄金时代并日趋成熟。我国在我国在7070年代开展化学反应工程的专题研究，开展化学反应
5、工程的教学。年代开展化学反应工程的专题研究，开展化学反应工程的教学。80 80 年代以后，随着高技术的发展和应用，如微电子器件的加工、光导纤维生年代以后，随着高技术的发展和应用，如微电子器件的加工、光导纤维生产、新材料以及生物技术等，向化学反应工程工作者提出了新的研究课题，使产、新材料以及生物技术等，向化学反应工程工作者提出了新的研究课题，使化学反应工程形成新的分支，如生化反应工程、聚合反应工程化学反应工程形成新的分支，如生化反应工程、聚合反应工程 ,电化学反应电化学反应工程工程 等，扩大了化学反映工程的研究领域，从而使化学反应工程的研究等，扩大了化学反映工程的研究领域，从而使化学反应工程的研
6、究进入了一个新的阶段。进入了一个新的阶段。第5页，此课件共80页哦2.化学反应工程化学反应工程(CRE)研究的对象和内容：研究的对象和内容：化学动力学化学动力学 研究反应机理研究反应机理 研究反应速率与外界因素关系研究反应速率与外界因素关系 研究传递过程对反应速率影响研究传递过程对反应速率影响 反应器设计与分析反应器设计与分析 不同反应器能提供不同的三传环境不同反应器能提供不同的三传环境宏观动力学宏观动力学本征动力学本征动力学第6页，此课件共80页哦CRE研研究究的的是是工工业业规规模模的的化化学学反反应应过过程程及及其其设设备备的的共共同同规规律律。工工业业规规模模的的化化学学反反应应，与与
7、实实验验室室研研究究中中的的化化学学反反应应存存在在不不可可忽忽视视的的、有有时时甚甚至至是是非非常常大大的的差差别别。主主要要是是因因为为在在大大规规模模生生产产条条件件下下，除除化化学学反反应应过过程程外外，系系统统中中的的流流体体的的流流动动状状况况，传传热热、传传质质等等物物理理因因素素起起了了显显著著的的作作用用。工业规模的化学反应，必须与传递规律结合起来研究，因而才显得复杂而困难。工业规模的化学反应，必须与传递规律结合起来研究，因而才显得复杂而困难。CRE的研究内容：的研究内容：（1）研究化学反应器的基本理论；）研究化学反应器的基本理论；（2）反应器的设计、放大、控制；）反应器的设
8、计、放大、控制；（3）反应器设计、操作的优化。）反应器设计、操作的优化。3.CRE的研究方法：的研究方法：化工生产过程中的物理变化的规律，即单元操作，是用因次分析法或经验归纳法的手段去研究化工生产过程中的物理变化的规律，即单元操作，是用因次分析法或经验归纳法的手段去研究的。但对于化学反应工程，这样的方法是不行的的。但对于化学反应工程，这样的方法是不行的。因为在反应器中，既有物理过程，又有化学。因为在反应器中，既有物理过程，又有化学过程，过程，相似的物理过程，不一定能导致相似的化学过程。因此，在化学反应工程的研究中，必相似的物理过程，不一定能导致相似的化学过程。因此，在化学反应工程的研究中，必须
9、采取另外的研究方法，也就是数学模拟法或称为数学模型法。须采取另外的研究方法，也就是数学模拟法或称为数学模型法。在化学动力学基础上结合传质、传热和流体力学的原理来研究反应过程速率理论，即宏观动力在化学动力学基础上结合传质、传热和流体力学的原理来研究反应过程速率理论，即宏观动力学。应用宏观动力学的理论来研究工业规模进行的化学反应过程即为化学反应工程。学。应用宏观动力学的理论来研究工业规模进行的化学反应过程即为化学反应工程。第7页，此课件共80页哦数学模拟放大法示意图数学模拟放大法示意图明确明确任务任务 建立建立数学模型数学模型 解算解算数数学模型学模型 检验检验数数学模型学模型实际实际应用应用修改
10、模型修改模型计算机计算机计算机计算机第8页，此课件共80页哦二、化学反应器的分类：二、化学反应器的分类：1.按反应器的结构型式分类：按反应器的结构型式分类：这种分类的实质是按传递特性分类，反映出不同的反这种分类的实质是按传递特性分类，反映出不同的反应器中最基本的传递过程的差别。按反应器的结构特应器中最基本的传递过程的差别。按反应器的结构特征，常见的工业反应器可分为釜式、管式、塔式。固征，常见的工业反应器可分为釜式、管式、塔式。固定床式、流化床式和移动床式。定床式、流化床式和移动床式。书书141页图页图第9页，此课件共80页哦2.按操作方法分类：按操作方法分类：可分为间歇、半间歇、连续式三种。可
11、分为间歇、半间歇、连续式三种。生产特征：反应程度和反应物的性质均随时间而变化。生产特征：反应程度和反应物的性质均随时间而变化。操作特点：原料一次加入，经过一定时间后，反应产物一次卸出。操作特点：原料一次加入，经过一定时间后，反应产物一次卸出。间歇反应间歇反应器器半间歇反应器半间歇反应器生产特征：反应程度和反应物的性质均随时间而变化。生产特征：反应程度和反应物的性质均随时间而变化。操作特点：一种原料一次加入，另外的反应物以一定的操作特点：一种原料一次加入，另外的反应物以一定的速速度连续地加入，反应后将产物全部卸出。度连续地加入，反应后将产物全部卸出。连续操作反连续操作反应器应器操作特点：反应物和
12、产物都是连续稳定地加入和引出。操作特点：反应物和产物都是连续稳定地加入和引出。生产特征：反应进行的程度可能随反应器的位置而变化，但不生产特征：反应进行的程度可能随反应器的位置而变化，但不随着时间而变。随着时间而变。书书142图图第10页，此课件共80页哦3.按反应物系的相态分类按反应物系的相态分类这种分类的实质是按动力学特性分类。不同聚集状态的物质，其反应这种分类的实质是按动力学特性分类。不同聚集状态的物质，其反应有不同的动力学规律。按物料的聚集状态，可分为均相反应器和非均有不同的动力学规律。按物料的聚集状态，可分为均相反应器和非均相反应器两大类。相反应器两大类。w 均相反应器中又可以分为气相
13、反应器、单一液相反应器，非均均相反应器中又可以分为气相反应器、单一液相反应器，非均相反应器分为气相反应器分为气-液相、气液相、气-固相、液固相、液-液相、液液相、液-固相、气固相、气-液液-固相反应器等等。固相反应器等等。w均相反应器中，因为反应过程不受扩散状况的影响，因此它均相反应器中，因为反应过程不受扩散状况的影响，因此它的结构就比较简单，一般就采用管式、釜式反应器。的结构就比较简单，一般就采用管式、釜式反应器。w非均相反应器中，两相接触状况对反应有极大的影响，因此，非均相反应器中，两相接触状况对反应有极大的影响，因此，反应器设计时就要考虑改善接触状态的因素。所以它的结构反应器设计时就要考
14、虑改善接触状态的因素。所以它的结构就要复杂一些。就要复杂一些。第11页，此课件共80页哦4.按温度条件分类：按温度条件分类：可分为等温、不等温、绝热反应器等三种。可分为等温、不等温、绝热反应器等三种。在以上的诸多分类中，我们本章将要学习的是在以上的诸多分类中，我们本章将要学习的是基本反应器基本反应器，它包括，它包括间歇操作反应釜、间歇操作反应釜、管式反应器、连续操作反应釜。管式反应器、连续操作反应釜。第12页，此课件共80页哦三、流体在反应器内的流动模型：三、流体在反应器内的流动模型：(1)(1)理想置换流动理想置换流动(活塞流或理想排挤活塞流或理想排挤)：流体在管内高速流动：流体在管内高速流
15、动是指物料以稳定的流量由反应器的一端流入反应器后，各物料微元沿流动是指物料以稳定的流量由反应器的一端流入反应器后，各物料微元沿流动方向齐头并进，完全没有轴向混合与扩散，即没有返混，就好像活塞在气方向齐头并进，完全没有轴向混合与扩散，即没有返混，就好像活塞在气缸里向前平推一样。所以又称为缸里向前平推一样。所以又称为“活塞流活塞流”。活塞流模型的特点是：（活塞流模型的特点是：（1 1）在与流动方向垂直的任意截面上各点，物料的）在与流动方向垂直的任意截面上各点，物料的流速、浓度、温度及停留时间等完全一样；（流速、浓度、温度及停留时间等完全一样；（2 2）物料的浓度、温度等各参）物料的浓度、温度等各参
16、数沿流动方向递变；（数沿流动方向递变；（3 3）在每一截面上物料各参数都不随时间而变化。）在每一截面上物料各参数都不随时间而变化。细长型的连续流动管式反应器内物料的流况就近似这种流动模型。在长径细长型的连续流动管式反应器内物料的流况就近似这种流动模型。在长径比较大的固定床、流化床、鼓泡塔、填料塔等反应器内，当气相流速达到比较大的固定床、流化床、鼓泡塔、填料塔等反应器内，当气相流速达到一定值后，其气相流动情况一般亦可以认为是活塞流。一定值后，其气相流动情况一般亦可以认为是活塞流。凡器内物料呈理想置换流动的反应器就称为理想置换反应器。其典型代表凡器内物料呈理想置换流动的反应器就称为理想置换反应器。
17、其典型代表是连续操作活塞流管式反应器，也称为平推流反应器，以是连续操作活塞流管式反应器，也称为平推流反应器，以PFRPFR表示。表示。1.1.两种理想流动状态：（连续操作方式）两种理想流动状态：（连续操作方式）第13页，此课件共80页哦(2)2)理想混合流动（完全混合流动）：高效搅拌釜内流体流动理想混合流动（完全混合流动）：高效搅拌釜内流体流动是指物料以稳定的流量进入反应器后，瞬间就在整个反应器内分散均匀并与器是指物料以稳定的流量进入反应器后，瞬间就在整个反应器内分散均匀并与器内原存留的物料完全混合。内原存留的物料完全混合。理想混合流动的特点是：（理想混合流动的特点是：（1 1）整个反应器内以
18、及出口物料的组成和温度等）整个反应器内以及出口物料的组成和温度等参数均匀一致，且不随时间、空间而变化；（参数均匀一致，且不随时间、空间而变化；（2 2）各物料微元在器内的停留）各物料微元在器内的停留时间不尽相同，存在停留时间分布。时间不尽相同，存在停留时间分布。凡是器内物料呈理想混合流动的反应器，就称为理想混凡是器内物料呈理想混合流动的反应器，就称为理想混合反应器。通常用连续搅拌釜式反应器代表理想混合反合反应器。通常用连续搅拌釜式反应器代表理想混合反应器，也称为全混釜，以应器，也称为全混釜，以CSTRCSTR表示。表示。第14页，此课件共80页哦在实际反应器中，带强烈搅拌的连续釜式反应器内物料
19、的流况就近似于这种在实际反应器中，带强烈搅拌的连续釜式反应器内物料的流况就近似于这种流动模型。此外，沸腾床中的固相颗粒运动，长径比比较大的鼓泡塔中的液流动模型。此外，沸腾床中的固相颗粒运动，长径比比较大的鼓泡塔中的液相流动，大循环量的连续反应器的流体流动等等，也都趋近于这种流动模型。相流动，大循环量的连续反应器的流体流动等等，也都趋近于这种流动模型。上述理想流动，是理想流动模型的两种极端情况。实际反应器中物料的流况总是或多上述理想流动，是理想流动模型的两种极端情况。实际反应器中物料的流况总是或多或少地偏离理想状态，而是介于理想混合和理想置换两种流动模型之间，这种流动统或少地偏离理想状态，而是介
20、于理想混合和理想置换两种流动模型之间，这种流动统称为非理想流动。造成这种偏离的原因主要是反应器型式、操作条件和物料性质。称为非理想流动。造成这种偏离的原因主要是反应器型式、操作条件和物料性质。2.2.流体在反应器内的停留时间：流体在反应器内的停留时间：反应物料从进入反应器时算起到离开反应器时为止反应物料从进入反应器时算起到离开反应器时为止所经历的时间。所经历的时间。（1 1）.理想置换流动的停留时间：理想置换流动的停留时间：由于没有返混，所有的质点在反应器内的停留时间都相等，设流体在通过反应器时，体由于没有返混，所有的质点在反应器内的停留时间都相等，设流体在通过反应器时，体积不发生变化。积不发
21、生变化。返混是不同时刻进入反应器的物料相互之间的混合。返混是不同时刻进入反应器的物料相互之间的混合。第15页，此课件共80页哦-流体在反应器内的停留时间，流体在反应器内的停留时间，VR-反应器的体积，反应器的体积，qv-流体的体积流量，流体的体积流量，F-流体的摩尔流量，流体的摩尔流量，C-流体的浓度，则流体的浓度，则（2）.理想混合流动的停留时间：理想混合流动的停留时间：理想混合流动中，物料在反应器内的停留时间分布在理想混合流动中，物料在反应器内的停留时间分布在0和无穷之间，一般就用平和无穷之间，一般就用平均停留时间来表示。均停留时间来表示。四四、反应器的物料衡算：反应器的物料衡算：某组分的
22、引入速率某组分的引入速率=某组分引出速率某组分引出速率+由反应而引起的由反应而引起的+某组分的积累速率某组分的积累速率某组分消耗速率某组分消耗速率（1）（2）（3）（4）对于不同操作的反应器，可作如下简化。对于不同操作的反应器，可作如下简化。间歇反应器：（间歇反应器：（3）+（4）=0连续稳定反应器：（连续稳定反应器：（1）=（2）+（3）半连续反应器：（半连续反应器：（1）=（2）+（3）+（4）=VR/qv qv=F/C=VR/qv第16页，此课件共80页哦第二节第二节间歇操作反应器间歇操作反应器一、间歇釜式反应器的特点：一、间歇釜式反应器的特点：1、由于强烈的搅拌，反应器内物料可达到分子
23、尺度上的均匀，、由于强烈的搅拌，反应器内物料可达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对化学反应的且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对化学反应的影响。影响。2、由于反应器配有换热器，可使反应器内物料温度处处相、由于反应器配有换热器，可使反应器内物料温度处处相等，因而排等，因而排除了热量传递对化学反应的影响。除了热量传递对化学反应的影响。反应结果唯一由反应结果唯一由化学反应动力学化学反应动力学所确定。所确定。第17页，此课件共80页哦间歇搅拌釜式反应器间歇搅拌釜式反应器间歇搅拌釜式反应器间歇搅拌釜式反应器(BSTR)第18页，此课件共80页哦 间歇操作间歇操作 指
24、物料一次投入反应器，待反应完成后，物料一次卸出的操作过程。最常用最常用釜式反釜式反应器应器，主要结构，主要结构由筒体、搅拌装由筒体、搅拌装置、夹套组成。置、夹套组成。器内还可以根据器内还可以根据需要设置盘管。需要设置盘管。间歇反应器间歇反应器间歇反应器间歇反应器第19页，此课件共80页哦间歇搅拌釜式反应器的特征间歇搅拌釜式反应器的特征特点特点:(1)1)由于剧烈搅拌，反应器内浓度、温度不随位置发生改变，由于剧烈搅拌，反应器内浓度、温度不随位置发生改变，仅随时间发生改变。仅随时间发生改变。(2)(2)物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反
25、应应 时间。时间。(3)(3)存在加料、卸料、清洗等辅助时间。存在加料、卸料、清洗等辅助时间。优点：优点：操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产产(精细化工、制药、染料、涂料精细化工、制药、染料、涂料)。缺点：缺点：装料、卸料等装料、卸料等辅助操作助操作时间长，产品品质量不量不稳定。定。第20页，此课件共80页哦化学反应速率化学反应速率对于均相反应，常用单位时间、单位反应体积内某组分的物质的对于均相反应，常用单位时间、单位反应体积内某组分的物质的量的变化来定义该组分的反应速率。量的变化来定义该组分的反应速率。反应过程体积恒定：
26、反应过程体积恒定：第21页，此课件共80页哦反应转化率反应转化率x反应组分反应组分A的转化率的转化率对于反应体积不变的反应对于反应体积不变的反应第22页，此课件共80页哦均相反应速率均相反应速率是反应物系的组成、温度和压力的函数。而反应压力通常是反应物系的组成、温度和压力的函数。而反应压力通常可由反应物系的状态方程和组成来确定，所以主要是考虑反应物系的可由反应物系的状态方程和组成来确定，所以主要是考虑反应物系的组成和温度组成和温度对反应速率的影响。对反应速率的影响。w 均相反应均相反应均相反应是指参与反应的各物质均处同一个相内进行化学反应。烃均相反应是指参与反应的各物质均处同一个相内进行化学反
27、应。烃类的高温裂解为气相均相反应，而酸碱中和、酯化反应为典型的液相反应。要类的高温裂解为气相均相反应，而酸碱中和、酯化反应为典型的液相反应。要求：求：必须是均相体系必须是均相体系(微观条件微观条件)强烈的混合手段强烈的混合手段(宏观条件宏观条件)反应速度远小于分子扩散速度反应速度远小于分子扩散速度第23页，此课件共80页哦二、反应时间的计算：二、反应时间的计算：对整个反应器进行对整个反应器进行物料衡算物料衡算：0流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +积累量积累量0单位时间内反应量单位时间内反应量 =单位时间内的积累量单位时间内的积累量(等容过程等容过程 )反应过程中反应过程中第24页
28、，此课件共80页哦等容过程，液相反应或气等容过程，液相反应或气相等分子变化。相等分子变化。第25页，此课件共80页哦反应速率rA=kCArA=kCA2rA=k 间歇反应器中的简单反应的反应时间反应时间（均相等温等容）第26页，此课件共80页哦 w实际操作时间=反应时间()+辅助时间()反应体积反应体积V VR R是指反应物料在反应器中所占的体积是指反应物料在反应器中所占的体积V VR R=q=qv v(+)1/rA xA/CA01/rA CA上式称为反应器的上式称为反应器的设计方程设计方程，代入动力学方程积分就可算出，代入动力学方程积分就可算出 t t。若动力学方程复杂，可采用数值积分或图解积
29、分。若动力学方程复杂，可采用数值积分或图解积分。t/cA0rA-1xxAfxA0trA-1CACAfCA0第27页，此课件共80页哦二、反应器实际体积的计算：二、反应器实际体积的计算：设反应器的装料系数为设反应器的装料系数为=VR/VT,每批物料的反应时间为每批物料的反应时间为，辅助时辅助时间为间为，一个生产周期内平均每单位时间处理的物料体积为一个生产周期内平均每单位时间处理的物料体积为v，则则qv=VR+qvVR=(+)149页例题页例题三、间歇操作反应釜的特点及应用：三、间歇操作反应釜的特点及应用：1.釜内物料的温度、浓度均匀，可以采用多种方式调节反应温度，可达釜内物料的温度、浓度均匀，可
30、以采用多种方式调节反应温度，可达到较高的转化率；到较高的转化率；2.适应性强，可用于小批量多品种的生产；适应性强，可用于小批量多品种的生产；3.设备利用率低，难以实现自动化，不适宜大规模的生产。设备利用率低，难以实现自动化，不适宜大规模的生产。VT=VR/第28页，此课件共80页哦第三节第三节管式反应器管式反应器管式反应器一般采用连续操作的方法进行生产，管内液体的流管式反应器一般采用连续操作的方法进行生产，管内液体的流动接近于理想置换流动，适用于气相反应和均一液相反应。动接近于理想置换流动，适用于气相反应和均一液相反应。一、管式反应器的特点一、管式反应器的特点理想管式管式反应器，又称理想置换反
31、应器、活塞流反应器、平推流反应理想管式管式反应器，又称理想置换反应器、活塞流反应器、平推流反应器。器。1、在正常情况下，它是连续稳态操作，故在反应器轴向的各个截面上，、在正常情况下，它是连续稳态操作，故在反应器轴向的各个截面上，物料浓度、反应速率、转化率等不随时间变化。物料浓度、反应速率、转化率等不随时间变化。2、反应器轴向的不同截面上，物料浓度、反应速率、转化率等不、反应器轴向的不同截面上，物料浓度、反应速率、转化率等不相等。相等。3、由于径向具有均匀的速度分布，故径向不存在浓度差。、由于径向具有均匀的速度分布，故径向不存在浓度差。本章主要讨论均相、等温、恒容的情况。本章主要讨论均相、等温、
32、恒容的情况。第29页，此课件共80页哦第30页，此课件共80页哦反应物反应物A反应物反应物B生成物生成物R特点特点(1)连续进料，连续出料，连续进料，连续出料，反应物沿管长方向流动反应物沿管长方向流动。(2)假设不同时刻进入反应器的物料之间不发生逆向混合，假设不同时刻进入反应器的物料之间不发生逆向混合，其浓度、温度随流动方向（轴向）变化，径向上物料的所其浓度、温度随流动方向（轴向）变化，径向上物料的所有参数都相同。有参数都相同。活塞流反应器活塞流反应器（3）所有物料在反应器内的停留时间都相同）所有物料在反应器内的停留时间都相同。第31页，此课件共80页哦qnA,0CA0CAfxAfxA0=0d
33、VRxAxA+dxA反应器的数学模型反应器的数学模型流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量0qnAqnA+dqnAqnA,f二、恒容过程管式反应器体积的计算：二、恒容过程管式反应器体积的计算：第32页，此课件共80页哦第33页，此课件共80页哦1.k与xA的关系等温时等温时k k为常数为常数2.等容过程与间歇反应器的公式相同与间歇反应器的公式相同 空间时间空间时间第34页，此课件共80页哦和和BSTR比较，由于不存在比较，由于不存在辅助时间辅助时间(t)反应体积反应体积VR=qvt据此关系式，可以进行反应器体积的设计据此关系式，可以进行反应器体积的设计计算计算一级反应一级
34、反应第35页，此课件共80页哦反应速率rA=kCArA=kCA2rA=k 管式反应器中的简单反应的空间时间空间时间（均相等温等容）第36页，此课件共80页哦在规定条件下，进入反应器的物料通过反应器体积所需要的时间。在规定条件下，进入反应器的物料通过反应器体积所需要的时间。三、空间速率、空间时间：三、空间速率、空间时间：1.空间时间：恒容反应时，反应物料在反应器内停留的时间。空间时间：恒容反应时，反应物料在反应器内停留的时间。=VR/q v o时间时间物理意义：物料连续流过反应器所需要的时间。也就是在一定条物理意义：物料连续流过反应器所需要的时间。也就是在一定条件下，处理一个反应器体积的物料需要
35、的时间。它也是表示反应件下，处理一个反应器体积的物料需要的时间。它也是表示反应器特性的一个量，它的值越小，反应器生产能力越大。器特性的一个量，它的值越小，反应器生产能力越大。若空时为若空时为2h,2h,指的是在规定条件下，每指的是在规定条件下，每2h2h就有相当于一个反应器体积的物就有相当于一个反应器体积的物料通过反应器。料通过反应器。第37页，此课件共80页哦2.空间速率：就是反应物的体积流量与反应器有效体积之比，用空间速率：就是反应物的体积流量与反应器有效体积之比，用Sv来表示。来表示。空间速率是空间时间的倒数。空间速率是空间时间的倒数。Sv=qv0/VR 1/时间时间物理意义：单位体积的
36、反应器在单位时间内的进料体积。对恒容过程，物理意义：单位体积的反应器在单位时间内的进料体积。对恒容过程，当体积流量与反应器内的状态相同时，它表示单位时间内反应器内通过当体积流量与反应器内的状态相同时，它表示单位时间内反应器内通过的流体体积是反应器体积的多少倍。的流体体积是反应器体积的多少倍。空间速度可以表示反应器的生产能力，它的值越大，反应器的生产能力越空间速度可以表示反应器的生产能力，它的值越大，反应器的生产能力越大。大。若空速为若空速为4h-1,就意味着在规定条件下，每小时进入反应器的物料相当于就意味着在规定条件下，每小时进入反应器的物料相当于4个个反应器的体积。反应器的体积。书书152页
37、例题，页例题，153页图页图 第38页，此课件共80页哦第四节第四节连续操作反应釜连续操作反应釜一、连续操作反应釜的特征：一、连续操作反应釜的特征：1.釜内物料的状况接近于理想混合流动，且釜内各处的组成和温度都相釜内物料的状况接近于理想混合流动，且釜内各处的组成和温度都相同同,且等于离开反应器物料的浓度、温度等；且等于离开反应器物料的浓度、温度等；2.液体内各质点在釜内停留时间不尽相同；液体内各质点在釜内停留时间不尽相同；3.反应物浓度、转化率以及反应速度反应物浓度、转化率以及反应速度(等温时等温时)不随时间不随时间、空间而变化。是稳态、空间而变化。是稳态过程。过程。二、连续操作反应釜的体积：
38、二、连续操作反应釜的体积：物料衡算的范围：整个反应器物料衡算的范围：整个反应器物料衡算的组分：组分物料衡算的组分：组分A物料衡算的基准：单位时间的进料量物料衡算的基准：单位时间的进料量第39页，此课件共80页哦特点特点（1）连续进料，连续出料）连续进料，连续出料（2）反应器的搅拌良好，反应器的搅拌良好，反应器反应器内物料的组成和温度处处相内物料的组成和温度处处相等，且等于反应器出口的物等，且等于反应器出口的物料组成料组成和温度，和温度，均不随位置均不随位置和时间而变。和时间而变。（3）物料质点在反应器内存在停物料质点在反应器内存在停留时间分布。留时间分布。全混流反应器全混流反应器(CSTR)生
39、成物生成物R反应物反应物A反应物反应物B全混流反应器全混流反应器第40页，此课件共80页哦全混流反应器的数学模型全混流反应器的数学模型取整个反应器为衡算对象取整个反应器为衡算对象流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量0第41页，此课件共80页哦图解解积分分(右右图为PFR图解解积分分)CACA0CAfCACA0CAf第42页，此课件共80页哦和和BSTR比较，由于不存在比较，由于不存在辅助时间辅助时间(t)反应体积反应体积VR=qvt据此关系式，可以进行反应器体积的设计据此关系式，可以进行反应器体积的设计计算计算一级反应一级反应第43页，此课件共80页哦平推流反应器与全混
40、流反应器的比较平推流反应器与全混流反应器的比较第44页，此课件共80页哦w年龄年龄反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是对仍留在反反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。应器中的物料质点而言的。w寿命寿命反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是对已经离开反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是对已经离开反应器的物料质点而言的。反应器的物料质点而言的。返混返混(Back mixing)又称又称逆向返混，逆向返混，不同年龄的质点之间的混合不同年龄的质点之间的混合,经历了不同反应时间的物经历了不同反应时间的物料间的混合，是料间的混合，是时间
41、概念时间概念上的混合上的混合。搅拌混合是指不同空间位置的物料之间的混合搅拌混合是指不同空间位置的物料之间的混合。三、返混对化学反应的影响三、返混对化学反应的影响第45页，此课件共80页哦停留时间和返混停留时间和返混 1、停留时间停留时间是指从物料进入反应器起至离开反应器为止所经历的时间。是指从物料进入反应器起至离开反应器为止所经历的时间。2、返混返混是指停留时间不同的流体粒子之间的混合。是指停留时间不同的流体粒子之间的混合。在反应器中，由于在反应器中，由于返混返混会导致反应器内各处物料停留时间不会导致反应器内各处物料停留时间不 一，引起反应程一，引起反应程度差异，使各处物料浓度分布不均、反应结
42、果变化。度差异，使各处物料浓度分布不均、反应结果变化。理想流动状况理想流动状况无返混的流动状况无返混的流动状况属于这种理想流动状况的过程称为属于这种理想流动状况的过程称为平推流平推流、活塞流活塞流、排挤流排挤流或或理想置换理想置换，它是指进入反应器的反应物料以相同速度、一致方，它是指进入反应器的反应物料以相同速度、一致方 向向向前移动的流动状况。向前移动的流动状况。这种反应器的特点是垂直流向的同一截面上的物料参数（如温度、这种反应器的特点是垂直流向的同一截面上的物料参数（如温度、浓度、停留时间等）均相同，而参数随流向变化。浓度、停留时间等）均相同，而参数随流向变化。第46页，此课件共80页哦
43、返混最大的流动状况返混最大的流动状况 属于这种理想流动状况的过程称为属于这种理想流动状况的过程称为全混流全混流、完全混完全混 合合或或理想混合理想混合。它是指刚进入反应器的新物料与留存于反应器。它是指刚进入反应器的新物料与留存于反应器内的物料能瞬间完全混合的流动状态。内的物料能瞬间完全混合的流动状态。这种反应器的特点是整个反应器各处物料参数（温度、这种反应器的特点是整个反应器各处物料参数（温度、浓度或平均停留时间等）均相同，且等于出口处物料参数。浓度或平均停留时间等）均相同，且等于出口处物料参数。第47页，此课件共80页哦第48页，此课件共80页哦 w 相同的反应，相同的反应，相同进料流量和浓
44、度相同进料流量和浓度相同温度和最终反应率相同温度和最终反应率一个全混流反应器与一个平推流反应器的比较一个全混流反应器与一个平推流反应器的比较全混流反全混流反应应器器=VR/qv0=CA0XA/rA平推流反平推流反应应器器=VR/qv0=容积效率容积效率=VRP/VRS第49页，此课件共80页哦间歇反应器间歇反应器平推流反应器全混流反应器连续流动反应器连续流动反应器完全没有返混返混极大(a)(b)(c)第50页，此课件共80页哦浓度分布-推动力反应推动力随反应时间逐渐降低反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低反应推动力不变，等于出口处反应推动力 第51页，此课件共80页哦四、多釜串联反应器：四、多釜
45、串联反应器：第52页，此课件共80页哦原料原料A生成物生成物R特点特点（1）反应在多个串联的全混流反应器内进行，）反应在多个串联的全混流反应器内进行，各釜的各釜的入口浓度就是前一釜的出口浓度入口浓度就是前一釜的出口浓度。（2）串联的各反应器内，物料的组成和温度均匀一致，但）串联的各反应器内，物料的组成和温度均匀一致，但各级各级反应器之间是突变反应器之间是突变的。的。（3）随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞）随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞流反应器。流反应器。多釜串联反应器多釜串联反应器(n-CSTR)第53页，此课件共80页哦 具有相同体积的具有相同体积的N N个全混釜的串联
46、个全混釜的串联 结论：多级全混釜串联后，结论：多级全混釜串联后，返混程度变小；返混程度变小；当无穷多个全混流串联后，当无穷多个全混流串联后，返混达到返混达到0，相当于平推流，相当于平推流反应器反应器第54页，此课件共80页哦稳态，定容稳态，定容多级全混流反应器串联的计算多级全混流反应器串联的计算一级反应，一级反应，n级反应器串联级反应器串联由于由于故故第55页，此课件共80页哦各级反应器体积相同时：或或反应总体积反应总体积 书书159页例题页例题第56页，此课件共80页哦（1）正浓度效应（）正浓度效应（n 0）PFR（BR）CSTR多级多级CSTR比较阴影部分的面积可知，当比较阴影部分的面积可
47、知，当 n 0时，时，CSTR 多级多级CSTR PFR。第57页，此课件共80页哦第五节第五节 均相反应器的性能比较与选择均相反应器的性能比较与选择作为反应器所应满足的两个要求：作为反应器所应满足的两个要求：1.达到给定的生产能力所需的反应器的容积要小；达到给定的生产能力所需的反应器的容积要小；2.用同样的原料所得的目的产物的收率要高。用同样的原料所得的目的产物的收率要高。化学反应化学反应简单反应简单反应复杂反应复杂反应平行反应平行反应连串反应连串反应一、简单反应的反应器体积：一、简单反应的反应器体积：二、复杂反应的反应器体积：二、复杂反应的反应器体积：选择率选择率=转化为目的产物的反应物量
48、转化为目的产物的反应物量/反应物被转化掉的量反应物被转化掉的量收率收率=转化为目的产物的反应物量转化为目的产物的反应物量/加入反应器的反应物的总量加入反应器的反应物的总量第58页，此课件共80页哦以关键组分以关键组分A（着眼组分、限制组分）作为计算对象。（着眼组分、限制组分）作为计算对象。转化率转化率选择性选择性收率收率第59页，此课件共80页哦复杂反应复杂反应 复杂反应复杂反应复杂反应复杂反应是指是指同时存在两个以上独立进行反应的反应过程。如果这些反应都是从相同的反应物按各自的计量关系同时地发生的过程称为平行反应平行反应。如果这些反应是依次发生的，这样的复合反应称为连串串反应反应。在这些反应
49、产物中，有的产物是需要的对象，称为目的目的产物产物或主产物主产物，而其余产物都称为副产物副产物。得到目的产物的反应称为主反应主反应，其余反应称为副反应。第60页，此课件共80页哦 复杂反应：复杂反应：指必须用两个以上化学计量关系才能表示的反应。（平行反应）（连串反应）（平行-连串反应）第61页，此课件共80页哦 则选择性为：则选择性为：（1 1）当）当a1a21a2，b1b2b1b2时，主反应级数比副反应大，在高浓度下进行反应有时，主反应级数比副反应大，在高浓度下进行反应有利于利于p p的生成；采用管式反应器或间歇反应器有利。的生成；采用管式反应器或间歇反应器有利。（2 2）当）当a1a2,b
50、1b2a1a2,b1b2时，副反应级数比主反应大，在低浓度下进行反应有时，副反应级数比主反应大，在低浓度下进行反应有利于利于P P的生成；采用全混流反应器。的生成；采用全混流反应器。1 1、等温恒容过程等温恒容过程平行反应平行反应 主主 副副第62页，此课件共80页哦（3 3）当）当a1=a2,b1=b2a1=a2,b1=b2时，与反应物浓度无关。时，与反应物浓度无关。E1E1E2E2时，高温下时，高温下进行反应有利于进行反应有利于p p的生成，反之在低温下进行；的生成，反之在低温下进行；（4 4）当）当a1b2a1b2时，时，C CA A越小，越小，C CB B越大，则越大，则越大。越大。采